徐 浪 陳 強(qiáng) 吳遠(yuǎn)昆 楊瑩輝 趙晶晶

1 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,成都市犀安路999號(hào),611756

2 浙江華東測(cè)繪與工程安全技術(shù)有限公司,杭州市潮王路22號(hào),310014

3 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都市東三路1號(hào),610059

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定,四川省甘孜州瀘定縣在2022-09-05發(fā)生MS6.8地震,震中位于102.236°E、29.679°N,震源深度16 km(圖1)。瀘定地震發(fā)生在鮮水河斷裂帶南東段磨西斷裂附近,是該區(qū)域1786年M7.6地震后的又一次中強(qiáng)震[1]。GCMT給出的震源機(jī)制解顯示,瀘定地震發(fā)震斷層走向?yàn)?64°、傾角為78°、滑動(dòng)角為7°。地震發(fā)生后,不同學(xué)者利用GNSS資料[2]、衛(wèi)星雷達(dá)影像數(shù)據(jù)[3]、地震波形數(shù)據(jù)[4]對(duì)發(fā)震斷層的幾何參數(shù)和滑動(dòng)破裂等展開相關(guān)研究。已有研究資料表明,瀘定地震發(fā)震斷層為鮮水河斷裂磨西段,斷層運(yùn)動(dòng)以左旋走滑為主,并破裂至地表。

圖1 瀘定地震構(gòu)造背景及同震大地測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.1 Tectonic setting and coseismic geodetic data of Luding earthquake

鮮水河斷裂帶位于青藏高原的東南緣,與安寧河斷裂帶、則木河斷裂帶和小江斷裂帶共同組成川滇菱形塊體的東邊界,是中國大陸活動(dòng)強(qiáng)烈的大型左旋走滑型斷裂帶之一。1700年以來,鮮水河斷裂帶發(fā)生8次7級(jí)以上地震,整條斷裂幾乎都發(fā)生過破裂,最近一次為1973年M7.6爐霍地震[1]。地質(zhì)資料揭示,鮮水河斷裂左旋走滑速率為8～12 mm/a,且南東段滑動(dòng)速率大于北西段[5]?；贕NSS數(shù)據(jù)的震間速度場(chǎng)反演結(jié)果顯示,鮮水河斷裂磨西段自1786年后積累的能量足夠產(chǎn)生MW6.89地震[6]。Qiao等[7]利用Sentinel-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取鮮水河斷裂高密度震間速度場(chǎng),并估算了磨西段具有發(fā)生MW>7.0地震的潛力。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景和長期的構(gòu)造應(yīng)力加載使得該區(qū)域地震風(fēng)險(xiǎn)性較高。

對(duì)于此次瀘定地震事件,利用多源大地測(cè)量數(shù)據(jù)獲取地震震源模型的研究較少,并且多數(shù)僅計(jì)算庫侖應(yīng)力變化進(jìn)行地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,并未結(jié)合震前斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)和歷史地震背景綜合評(píng)估該區(qū)域地震風(fēng)險(xiǎn)。本文收集Sentinel-1衛(wèi)星升降軌影像數(shù)據(jù),利用D-InSAR技術(shù),精確提取其同震形變場(chǎng),并聯(lián)合GNSS和強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行共同約束,利用模擬退火算法估計(jì)斷層幾何模型參數(shù),反演精細(xì)的滑動(dòng)分布模型,揭示斷層破裂運(yùn)動(dòng)模式;然后結(jié)合震間斷層閉鎖和已有震間耦合模型資料對(duì)斷層滑動(dòng)分布和余震分布進(jìn)行分析,深入探討斷層發(fā)震機(jī)制;最后計(jì)算靜態(tài)同震庫侖應(yīng)力變化,結(jié)合震間地震矩積累和歷史地震資料綜合進(jìn)行地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 瀘定地震同震形變提取

搜集瀘定地震前后覆蓋震中區(qū)域的升降軌Sentinel-1雷達(dá)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(表1、圖1),利用ISCE(InSAR scientific computing environment)軟件對(duì)升降軌數(shù)據(jù)進(jìn)行D-InSAR處理[8],獲取同震形變場(chǎng)。在處理過程中,對(duì)Sentinel-1影像分別進(jìn)行距離向?yàn)?0視以及方位向?yàn)?視處理,生成干涉圖。后續(xù)利用歐空局發(fā)布的精密軌道數(shù)據(jù)去除參考橢球相位,并基于30 m分辨率的SRTM數(shù)字高程模型去除地形相位。然后采用Goldstein濾波方法[9]對(duì)干涉圖進(jìn)行濾波,再使用最小費(fèi)用流算法[10]進(jìn)行相位解纏。地理編碼后基于GACOS(generic atmospheric correction online service)模型[11]減弱對(duì)流層的大氣延遲分量,最終獲取瀘定地震升降軌同震形變場(chǎng)(圖2)。

表1 SAR影像參數(shù)

圖2 Sentinel-1衛(wèi)星升降軌InSAR同震形變觀測(cè)場(chǎng)、模擬場(chǎng)和殘差Fig.2 Observation, simulation and residual of InSAR coseismic deformation of Sentinel-1 ascending and descending tracks

2 多源大地測(cè)量數(shù)據(jù)聯(lián)合反演斷層滑動(dòng)模型

采用自適應(yīng)四叉樹降采樣算法[12]對(duì)兩軌形變場(chǎng)進(jìn)行降采樣。降采樣前,首先對(duì)相干性低于0.5的區(qū)域進(jìn)行掩膜,避免低質(zhì)量、高噪聲的形變數(shù)據(jù)參與后續(xù)反演,然后選取合適的形變梯度閾值對(duì)兩軌數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣,最終Sentinel-1升、降軌形變場(chǎng)分別保留1 229個(gè)、1 139個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)。另外,本文將聯(lián)合Li等[13]公布的GNSS和強(qiáng)震動(dòng)同震形變數(shù)據(jù),同本文獲取的InSAR觀測(cè)數(shù)據(jù)共同反演斷層滑動(dòng)分布模型(圖3)。采用基于大地測(cè)量數(shù)據(jù)約束的斷層源模型反演方法獲取最優(yōu)斷層幾何參數(shù)[14-15]。根據(jù)先驗(yàn)信息,將斷層走向搜索區(qū)間設(shè)置為100°～180°、傾角搜索區(qū)間設(shè)置為50°～90°、滑動(dòng)角搜索區(qū)間設(shè)置為-90°～90°。斷層滑動(dòng)反演之前,需要確定不同大地測(cè)量數(shù)據(jù)的權(quán)重以及平滑因子。相比于InSAR數(shù)據(jù),GNSS和強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)的水平位移精度較高,因此將其權(quán)重設(shè)置為1,并以0.05為步長在0.05～1區(qū)間內(nèi)設(shè)置不同的InSAR數(shù)據(jù)權(quán)重值進(jìn)行反演,最終繪制模型殘差和InSAR數(shù)據(jù)權(quán)重的L曲線,見圖3(c)。類似地,設(shè)置3～20的平滑因子區(qū)間,以0.5為步長進(jìn)行多次反演,最終繪制模型殘差和斷層面粗糙度的L曲線確定平滑因子,見圖3(d)。最終確定平滑因子為8、InSAR權(quán)重為0.3進(jìn)行斷層幾何估計(jì)和斷層滑動(dòng)反演。

圖3 滑動(dòng)模型及反演參數(shù)Fig.3 Slip model and inversion parameters

最優(yōu)斷層幾何模型表明,瀘定地震發(fā)震斷層走向?yàn)镹NW-SSE,約為164.3°,傾角為73.7°,滑動(dòng)角為-3.2°。最優(yōu)滑動(dòng)模型結(jié)果顯示,瀘定地震發(fā)震斷層運(yùn)動(dòng)模式以左旋走滑為主,兼具少量正斷層和逆沖運(yùn)動(dòng),并破裂至地表。斷層滑動(dòng)主要分布在0～18 km深度范圍,最大滑動(dòng)量為1.67 m,位于7 km深度處;地震矩為1.18×1019Nm,對(duì)應(yīng)矩震級(jí)為MW6.71,與USGS和GCMT給出的結(jié)果較為一致。此外,圖2和圖4顯示了根據(jù)最優(yōu)滑動(dòng)模型正演的InSAR與GNSS和強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)的觀測(cè)場(chǎng)與模擬場(chǎng),二者形變模式與量級(jí)都有著很好的一致性,間接驗(yàn)證了本文估計(jì)的斷層幾何參數(shù)與最優(yōu)滑動(dòng)模型的可靠性和魯棒性。GNSS和強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)水平分量位移殘差為1.7 mm,Sentinel-1升、降軌水平位移殘差分別為1.6 cm和1.7 cm。

圖4 GNSS和強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)的觀測(cè)場(chǎng)和模擬場(chǎng)Fig.4 The observed and simulated displacement fields of GNSS and strong motion data

余震主要分布在滑動(dòng)分布邊緣或者梯度變化大的區(qū)域,與滑動(dòng)分布在空間上有較好的互補(bǔ)關(guān)系,這可能是由于同震庫侖應(yīng)力觸發(fā)所導(dǎo)致。重定位的余震結(jié)果顯示,瀘定地震余震分布集中在17 km深度以上,與后續(xù)利用震間GNSS數(shù)據(jù)反演的17.8 km閉鎖深度有著很好的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。大地測(cè)量數(shù)據(jù)反演的三維耦合模型結(jié)果顯示,磨西段斷層耦合程度東南段高于西北段[13],西北段斷層弱耦合可能阻止了斷層同震滑動(dòng),而東南段高耦合區(qū)域的凹凸體可能釋放了應(yīng)變,后續(xù)斷層?xùn)|南區(qū)域的余震深度明顯深于西北區(qū)域的余震深度也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。上述分析表明,瀘定地震的同震滑動(dòng)和后續(xù)余震的空間分布受到震間斷層耦合分布狀態(tài)的影響。

3 震前斷層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

搜集Wang等[16]給出的中國大陸長期GNSS速率場(chǎng),利用垂直于斷層兩側(cè)250 km的GNSS數(shù)據(jù)剖面(圖5(a)中粉色正方形表示反演中使用的GNSS臺(tái)站位置),并基于二維彈性螺旋位錯(cuò)模型反演斷層運(yùn)動(dòng)狀態(tài),包括斷層閉鎖、長期運(yùn)動(dòng)速率等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。其中平行斷層運(yùn)動(dòng)速率Vpar與斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間關(guān)系可由式(1)表達(dá):

(1)

圖5 斷層閉鎖深度和長期運(yùn)動(dòng)速率反演Fig.5 The inversion of fault locking depth and long-term slip rate

式中,x為數(shù)據(jù)點(diǎn)到斷層的垂直距離,S為斷層長期運(yùn)動(dòng)速率,D為斷層閉鎖深度,a為靜態(tài)偏移常數(shù)。

采用貝葉斯算法,基于馬爾科夫鏈蒙特卡羅(MCMC)采樣器,計(jì)算每個(gè)待求參數(shù)的后驗(yàn)概率密度函數(shù),將最大后驗(yàn)概率解作為參數(shù)估計(jì)的最優(yōu)值。對(duì)斷層運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行0

4 區(qū)域地震風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估

2022年瀘定MW6.7地震僅造成磨西斷裂南段發(fā)生破裂,磨西斷裂北段自1786年M7.6地震后并未破裂,而大地測(cè)量結(jié)果顯示磨西段一直存在應(yīng)變積累,具有發(fā)生強(qiáng)震的風(fēng)險(xiǎn)性[6-7]。基于估計(jì)的斷層閉鎖深度和長期運(yùn)動(dòng)速率,利用式(2)可以估算距離上次特征地震發(fā)生后積累的地震矩:

M=G·Vs·(W·L)·T

(2)

式中,M為累積地震矩,G為剪切模量,Vs為斷層長期運(yùn)動(dòng)速率,W和L為斷層閉鎖長和寬,T為距離上次特征地震發(fā)生后的離逝時(shí)間。假設(shè)磨西斷裂在17.8 km深度以上完全閉鎖,17.8 km深度以下斷層以10.8 mm/a的速率運(yùn)動(dòng)自由滑動(dòng),則自1786年積累的地震矩為9.52×1019Nm,相當(dāng)于一次MW7.26地震的能量。而本次瀘定地震釋放的能量僅占累積地震矩的12.3%,因此磨西斷裂的地震風(fēng)險(xiǎn)性依舊很高。

中強(qiáng)震的發(fā)生會(huì)釋放斷裂長期加載的應(yīng)力應(yīng)變,同時(shí)也會(huì)對(duì)周圍斷裂相互作用從而抑制或者促進(jìn)周緣斷裂的破裂。本文基于反演的最優(yōu)滑動(dòng)模型,在均勻彈性介質(zhì)模型下計(jì)算周緣斷裂上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化,其中有效摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4,接收斷層模型的參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[13]。圖6顯示瀘定地震后鄰近區(qū)域斷層10 km深度處的庫侖應(yīng)力變化,庫侖應(yīng)力明顯增強(qiáng)的區(qū)域包括:鮮水河斷裂磨西段北部靠近康定區(qū)域、安寧河斷裂北段、小金河斷裂北段、大涼山斷裂北段、龍門山斷裂西側(cè)和玉農(nóng)希斷裂中部。值得注意的是,安寧河斷裂自1480年和1536年發(fā)生2次M7.5地震后一直保持平靜,被認(rèn)為是主要的地震空區(qū)[1]。所以在瀘定地震發(fā)生后,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)安寧河斷裂帶活動(dòng)性的監(jiān)測(cè)。同時(shí),瀘定地震只造成磨西段南部部分區(qū)域發(fā)生破裂,磨西段北部區(qū)域并未破裂,而磨西段北部靠近康定區(qū)域的庫侖應(yīng)力卻顯著增加,綜合磨西段震間積累的地震矩結(jié)果推測(cè),磨西段未來可能發(fā)生MW>7.0地震。

圖6 瀘定地震后周緣斷裂10 km深度處的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化Fig.6 Coulomb failure stress change of the adjacent faults at a depth of 10 km after Luding earthquake

5 結(jié) 語

本文利用多源大地測(cè)量數(shù)據(jù)反演瀘定地震斷層幾何參數(shù)和滑動(dòng)分布模型,結(jié)果顯示,斷層走向?yàn)?64.3°、傾角為73.7°、滑動(dòng)角為-3.2°,運(yùn)動(dòng)模式以左旋走滑為主,并破裂至地表。斷層滑動(dòng)分布集中在18 km深度以上,與估計(jì)的17.8 km斷層閉鎖深度空間分布一致。余震的空間分布與斷層閉鎖深度也有很好的一致性,并且東南部分余震的深度明顯深于西北部分,這可能是受到震間斷層耦合分布狀態(tài)影響所致。瀘定地震僅造成磨西斷裂東南段部分區(qū)域發(fā)生破裂,而磨西斷裂自1786年積累的地震矩為9.52×1019Nm,相當(dāng)于一次MW7.26地震的能量,并且磨西斷裂西北段庫侖應(yīng)力顯著增加,推測(cè)磨西段未來可能發(fā)生MW>7.0地震。瀘定地震后安寧河斷裂帶庫侖應(yīng)力加載狀態(tài)明顯,后續(xù)尤其需要注意安寧河斷裂的地震風(fēng)險(xiǎn)性。